论文部分内容阅读
近几十年来,随着微机电系统的不断发展和在各领域的广泛应用,使得微操作技术的发展也十分迅速,微操作手作为核心部件,其设计和研发受到越来越多的关注和重视。而如何同时满足高精度、高速度、大操作空间和大输出力等关键要素,一直是微操作手研究的难点。本课题针对这一问题,利用直线超声电机响应快、控制精度高、运动行程大、推力大等优点,构建了一种新型的由直线超声电机驱动的两指并联微操作手,并对其进行了运动学分析、刚柔耦合动力学建模及仿真分析、手指的振动控制、抑制机构中存在的机械漂移的研究。实验表明,该微操作手可用于对生物细胞及其它直径为几微米到几百微米的微小物体的夹取和移动操作。本项研究有助于推进我国在微纳科技领域、生物工程领域和医学等领域的发展。主要内容如下:1.以微操作手的高精度、高速度、大操作空间和大输出力为设计目标,构建了一种新型的3-DOF两指并联微操作手。以直线超声电机作为驱动器,采用空间并联结构并配合万向柔性铰链,使得整体机构具有无间隙、无摩擦的优点,并支持微操作手在获得高位移精度的同时,具有更快的运行速度、更大的输出力、更大的操作空间。2.利用矢量链法和空间坐标转换建立了较为简单的刚性并联微操作手的运动学模型,并求解了微操作手输入与输出的运动学关系。为了得到微操作手机构更加精确的运动学关系,基于柔性铰链两端面始终平行的假设,建立了柔性并联微操作手的运动学模型,并结合柔性铰链的柔度分析计算了微操作手的工作空间,然后对该假设进行了位移误差分析,得到操作末端的最大相对误差为0.65%。3.建立了微操作手的刚柔耦合动力学模型。根据能量等效原理,将微操作手切分为三个对称的运动链和一个活动平台子系统,分别计算了其动能和势能,采用拉格朗日方法得到了微操作手的动力学方程。然后利用ADAMS动力学分析软件对微操作手进行了动力学仿真分析,得到了驱动器、末端执行器和柔性铰链的动态性能。4.针对微操作手手指末端的振动问题,建立了手指振动的动力学模型。通过分析影响手指振动规律的主要因素,提出了抑制手指振动的参数优化模型,采用内点罚函数法联合牛顿法对该优化模型进行了求解。然后通过Ansys有限元软件对微操作手的手指进行了瞬态动力学仿真分析。实验测得优化处理后手指末端的振动幅度缩小了84.7%。5.对微操作手操作末端出现的机械漂移现象进行了机理分析和实验研究。首先,建立了柔性夹持的直线超声电机定子的力学模型。模型分析表明,电机定子的切向刚度是影响输出端机械漂移的主要因素,并对不同刚度的夹持件进行了试验。根据分析结果,设计出一种可抑制机械漂移的一侧铰支固定、一侧弹簧夹持的电机定子。然后对微操作手机构本身出现的机械漂移问题进行了漂移时间、位移轨迹上分段机械漂移等实验研究,提出了避免在位移轨迹两端进行操作以减小机械漂移影响的方法。6.构建了微操作手的实验评价系统,结合二自由度运动平台组成宏微结合装置,使微操作手能够快速定位被操作对象。对微操作手进行了包括手指的振动优化性能试验、末端执行器的操作空间和位移分辨率的测定、输入位移与输出位移之间的关系等基本性能测试,实验结果表明,该微操作手的最大操作空间为2.332mm×2.109mm×20mm,位移分辨率为100nm,能够对不同材料和大小的微小物体进行抓取和移动等操作。